[论文解读] Evidences for Collisional Dark Matter In Galaxies?

P. Salucci, N. Turini|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用 16

一句话总结

本文通过提出螺旋星系中暗物质可能经历显著自相互作用的证据，挑战了标准的无碰撞暗物质范式，导致与恒星盘尺度相关的核芯型密度分布。基于11个叠加星系的旋转曲线数据，发现暗物质与恒星物质密度的乘积系统性偏离无碰撞模型，暗示暗物质与发光物质之间存在直接的非引力相互作用——表明存在一个超越标准WIMP模型的、更复杂的暗物质领域。

ABSTRACT

The more we go deep into the knowledge of the dark component which embeds the stellar component of galaxies, the more we realize the profound interconnection between them. We show that the scaling laws among the structural properties of the dark and luminous matter in galaxies are too complex to derive from two inert components that just share the same gravitational field. In this paper we review the 30 years old paradigm of collisionless dark matter in galaxies. We found that their dynamical properties show strong indications that the dark and luminous components have interacted in a more direct way over a Hubble Time. The proofs for this are the presence of central cored regions with constant DM density in which their size is related with the disk lenghtscales. Moreover we find that the quantity $ρ_{DM}(r,L,R_D) ρ_\star (r,L,R_D)$ shows, in all objects, peculiarities very hardly explained in a collisionless DM scenario.

研究动机与目标

• 调查螺旋星系中观测到的暗物质与发光物质之间的结构关联是否与标准无碰撞暗物质范式相矛盾。
• 检验暗物质晕中恒定密度核芯的存在是否可由自相互作用而非重子反馈来解释。
• 量化观测到的暗物质密度分布与ΛCDM模拟预测之间的差异，特别是关于尖核-核芯问题。
• 探讨暗物质与重子物质之间直接耦合的含义，暗示存在一个具有可测量相互作用截面的新暗物质领域。

提出的方法

• 分析来自170个螺旋星系的11个叠加旋转曲线，覆盖绝对I波段星等从-17.5到-24，星系晕质量范围为10^11至10^13 M☉。
• 基于Freeman盘模型对恒星盘进行三维建模，并通过球对称变换推导出三维恒星物质密度分布。
• 使用包含暗物质晕和恒星盘的联合模型拟合旋转曲线，结合观测速度弥散度和内部均方根误差2–5%的约束。
• 在星系范围内计算乘积ρ_DM(r,L,R_D) × ρ_*(r,L,R_D)，以检测其与无碰撞预期的系统性偏差。
• 估算暗物质粒子与发光物质相互作用的吸收截面，发现其比超对称模型预测大3–5个数量级。
• 评估在大型强子对撞机（LHC）和中微子望远镜中探测的可能性，提出针对不可见粒子搜索的优化触发器和前向谱仪。

实验结果

研究问题

• RQ1 螺旋星系中观测到的核芯型暗物质分布能否由无碰撞暗物质模型解释，还是需要引入自相互作用？
• RQ2 为何星系中暗物质与恒星物质密度的乘积系统性偏离标准ΛCDM和WIMP模型的预测？
• RQ3 为了解释星系中观测到的结构关联，暗物质与重子物质之间的相互作用截面需要多大？
• RQ4 如果暗物质并非无碰撞的，能否调和WIMPs在地下探测和对撞机实验中未被探测到的事实与观测到的星系动力学？
• RQ5 当前或未来的LHC实验中，此类自相互作用暗物质领域是否存在可探测的信号？或者在高能伽马射线或中微子天文台中是否存在可探测的信号？

主要发现

• 乘积ρ_DM(r,L,R_D) × ρ_*(r,L,R_D)在所有星系中均表现出系统性、非随机的偏差，表明暗物质与发光物质之间存在直接的非引力关联。
• 观测到的暗物质晕中心核芯半径与恒星盘尺度长度强烈相关，这一特征在纯无碰撞情景下难以解释。
• 估算出的暗物质与发光物质之间的吸收截面比超对称模型预测大3–5个数量级，暗示存在一个新暗物质领域。
• 在直接探测实验和LHC中未探测到WIMPs的事实，与涉及更强自相互作用和重子相互作用的非无碰撞暗物质模型一致。
• 若产生截面在费米靶量级，LHC实验（特别是像CT-PPS和AFP这样的前向谱仪）可增强对这类不可见、强相互作用暗物质的探测灵敏度。
• 可能存在一种弥散的、高能（E > 100 GeV）的伽马射线信号，具有截止谱，可能与暗物质吸收相关，提供一种间接探测通道。